2.2　生物柴油優點及其物理特性

2.2.1　生物柴油優點

生物柴油是一種優質清潔柴油，可從各種生物質提煉，因此可以說是取之不盡，用之不竭的能源，在資源日益枯竭的今天，有望取代石油成為替代燃料。

柴油是許多大型車輛如卡車及內燃機車及發電機等的主要動力燃料，其具有動力大，價格便宜的優點，中國柴油需求量很大，柴油應用的主要問題是“冒黑煙”，我們經常在馬路上看到冒黑煙的卡車。冒黑煙的主要原因是燃燒不完全，對空氣污染嚴重，如產生大量的顆粒粉塵，CO2排放量高等。據美國燃料學會報道，發動機燃料燃燒產生的空氣污染已成為空氣污染的主要問題，如氮氧化物為其他工業部門排放的一半，一氧化碳為其他工業排放量的三分之二，有毒碳氫化合物為其他工業排放的一半。尾氣中排出的氮氧化物和硫化物與空氣中的水可以結合形成酸雨，尾氣中的二氧化碳和一氧化碳太多會使大氣溫度升高，也就是人們常說的“溫室效應”。為解決燃油的尾氣污染問題及日益惡化的環境壓力，人們開始研究采用其他燃料如燃料酒精代替汽油，目前燃料酒精在北美洲（如美國及加拿大等）和南美國家（如巴西、阿根廷等）已占有相當比例，裝備有燃料酒精發動機的汽車已投放市場。對大多數需要柴油為燃料的大動力車輛如公共汽車、內燃機車及農用汽車如拖拉機等而言，燃料酒精并不適合；而且柴油造成的尾氣污染比汽油大的多，因此人們開發了柴油的代用品——生物柴油。生物柴油的優點介紹如下。

（1）具有優良的環保特性　生物柴油和化石柴油相比含硫量低，使用后可使二氧化硫和硫化物排放大大減少。權威數據顯示，二氧化硫和硫化物的排放量可降低約30％。生物柴油不含對環境造成污染的芳香族化合物，燃燒尾氣對人體的損害低于化石柴油，同時具有良好的生物降解特性。和化石柴油相比，柴油車尾氣中有毒有機物排放量僅為10％，顆粒物為20％，二氧化碳和一氧化碳的排放量僅為10％，排放尾氣指標可達到歐洲Ⅱ號和Ⅲ號排放標準。

（2）低溫啟動性能　和化石柴油相比，生物柴油具有良好的發動機低溫啟動性能，冷濾點達到-20℃。

（3）生物柴油的潤滑性能比柴油好　可以降低發動機供油系統和缸套的摩擦損失，增加發動機的使用壽命，從而間接降低發動機的成本。

（4）具有良好的安全性能　生物柴油的閃點高于化石柴油，它不屬于危險燃料，在運輸、儲存、使用等方面的優點明顯。

（5）具有優良的燃燒性能　生物柴油的十六烷值比柴油高，燃料在使用時具有更好的燃燒抗暴性能，因此可以采用更高壓縮比的發動機以提高其熱效率。雖然生物柴油的熱值比柴油低，但由于生物柴油中所含的氧元素能促進燃料的燃燒，可以提高發動機的熱效率，這對功率的損失會有一定的彌補作用。

（6）具有可再生性　生物柴油是一種可再生能源，其資源不會像石油、煤炭那樣會枯竭。

（7）具有經濟性　使用生物柴油的系統投資少，原用柴油的引擎、加油設備、儲存設備和保養設備無需改動。

（8）可調和性　生物柴油可按一定的比例與化石柴油配合使用，可降低油耗，提高動力，降低尾氣污染。

（9）可降解性　生物柴油具有良好的生物降解性，在環境中容易被微生物分解利用。

2.2.2　生物柴油標準

國外生物柴油產業起步較早，制定了一系列生物柴油的標準與規范。生物柴油標準中要考慮很多指標，有些指標是與石油柴油共有的，包括密度、運動粘度、閃點、硫含量、10％蒸余物殘碳、十六烷值、灰分、水含量、機械雜質、銅片腐蝕、燃料安定性、低溫性能等；還有一些指標是生物柴油所特有的，包括總酯含量，游離甘油含量，甘油單酯、二酯及三酯含量，甲醇含量，碘價，多元不飽和脂肪酸甲酯的含量，酸值，磷含量，堿及堿土金屬含量等；另外，還有一些額外的指標包括餾程、燃燒熱值、潤滑性、皂化物含量等，是可以選擇的。

（1）閃點　為了儲存和運輸的安全，燃料都有最低閃點的要求。生物柴油的閃點一般高于110℃，遠超過石油柴油的70℃，所以生物柴油儲運比石油柴油安全。甲醇的含量是影響生物柴油閃點高低的重要因素。即使在生物柴油中含有少量的甲醇，其閃點也會降低。除此之外，較多的甲醇也會對燃料泵、橡塑配件等有影響，并且會降低生物柴油的燃燒性能。美國生物柴油標準要求閉口閃點不低于130℃，歐洲標準要求不低于120℃。

（2）水分　游離水會導致生物柴油氧化并與游離脂肪酸生成酸性水溶液，水本身對金屬就有腐蝕。美國生物柴油標準要求生物柴油水分和沉渣不超過0.05％，歐洲標準要求水含量不超過500mg/kg。

（3）機械雜質　指存在于油品中所有不溶于規定溶劑的雜質。機械雜質對發動機零部件的磨損以及運轉是否正常都有嚴重影響。生物柴油中不允許有機械雜質。歐洲生物柴油標準要求總雜質含量不超過24mg/kg。

（4）運動黏度　運動黏度是表示生物柴油在重力作用下流動時內摩擦力的量度，其值為相同溫度下生物柴油的動力粘度與密度之比。對于一些發動機而言，為了防止噴射泵和噴射器泄漏而造成功率損失，可設定一個黏度最小值；另外，通過對發動機的設計尺寸、噴油系統特性的考慮，限定了允許黏度的最大值。生物柴油的黏度高于石油柴油，調入2％～20％的生物柴油到石油柴油中后，柴油的黏度會增加，但也能滿足標準對柴油運動黏度的要求。美國標準要求生物柴油40℃運動黏度為1.9～6.0mm2/s，歐洲標準要求40℃運動黏度為3.5～5.0mm2/s。

（5）硫酸鹽灰分　在生物柴油中灰分以三種形式存在：固體磨料、可溶性金屬皂及未除去的催化劑。固體磨料和未除去的催化劑能導致噴射器、燃油泵、活塞和活塞環磨損以及發動機沉積。可溶性金屬皂對磨損影響很小，但卻能導致濾網堵塞和發動機沉積。美國和歐洲標準都要求生物柴油硫酸鹽灰分不超過0.02％。

（6）硫含量　對發動機磨損和沉積以及尾氣污染物的排放都有很大影響，清潔燃料的一個重要指標就是低硫要求。生物柴油的一個主要優點就是硫含量低。美國標準要求生物柴油硫含量不超過0.05％，歐洲標準要求低于0.001％。

（7）銅片腐蝕　在規定條件下測試油品對銅的腐蝕傾向。由于酸或含硫化合物的存在能使得銅片褪色，此試驗可用來評測燃料系統中紫銅、黃銅、青銅部件產生腐蝕的可能性。按照目前的標準，生物柴油的銅片腐蝕一般都能達到要求，但長期與銅接觸，可能會導致生物柴油發生降解，產生游離脂肪酸和固體物質。美國標準要求生物柴油銅片腐蝕不高于3級，歐洲標準為1級。

（8）十六烷值　是指在規定條件下的發動機試驗中，采用和被測定燃料具有相同發火滯后期的標準燃料中正十六烷的體積百分數。十六烷值可以評價燃料油的點火性能、白煙影響及燃燒強度。十六烷值規格要求取決于發動機的設計尺寸、轉速、負載變化特性以及初始條件和大氣條件。與石油柴油相比，生物柴油的一個優點就是十六烷值較高。美國標準要求生物柴油十六烷值不低于47，歐洲標準要求超過51。

（9）氧化安定性　氧化安定性也是生物柴油質量的一個重要指標，氧化安定性差的生物柴油易生成如下老化產物：不溶性聚合物（膠質和油泥），這會造成發動機濾網堵塞和噴射泵結焦，并導致排煙增加、啟動困難；可溶性聚合物，其可在發動機中形成樹脂狀物質，可能會導致熄火和啟動困難；老化酸，這會造成發動機金屬部件腐蝕；過氧化物，這會造成橡膠部件的老化變脆而導致燃料泄漏等。由于生物柴油很難通過纖維素濾膜，用于評價柴油氧化安定性的方法不能評價生物柴油。目前已經發展了很多方法可評定生物柴油的氧化安定性，比較得到公認的標準方法是ISO6886《動植物油脂氧化安定性測定法（加速氧化法）》和基于此的EN14112：2004《脂肪酸甲酯氧化安定性測定法（加速氧化法）》。歐洲標準規定生物柴油在110℃下的誘導期不低于6小時，美國標準還沒有規定這一指標。

（10）低溫流動性　柴油在低溫條件下的流動性能不僅關系到柴油發動機燃料供給系統在低溫下能否正常供油，而且與柴油在低溫下的儲存、運輸、裝卸等作業能否進行都有密切關系。柴油的低溫流動性能一般用濁點、冷濾點、凝點/傾點等來衡量。在冷濾點方法出現之前，一般用濁點、凝點/傾點來評價油品的低溫性能。美國使用濁點和傾點指標劃分柴油的牌號。冷濾點與燃料實際使用溫度有很好的對應關系，對柴油燃料的使用有實際指導意義，而濁點、凝點/傾點與實際情況有偏差。100％的生物柴油的低溫流動性普遍較差，冷濾點高于石油柴油。石油柴油與生物柴油調和后，低溫流動性與石油柴油的性質、生物柴油的性質、摻入量以及是否使用流動性改進劑等都有很大關系。美國和歐洲標準都未明確規定。

（11）殘炭　殘炭量用來評測燃料油中炭沉積的趨勢。殘炭值越大，在柴油發動機氣缸內生成積炭的傾向越大，但由于與發動機沒有直接的關聯性，這項性能指標被認為是一個粗劣估計。美國生物柴油標準用100％的樣品來替代10％蒸余物，并按照10％蒸余物來計算，其值要求小于0.050％。歐洲生物柴油標準是直接測試的，要求100％蒸余物殘炭不大于0.3％。

（12）酸值　是指中和1g油品中的酸性物質所需要的氫氧化鉀的質量（mg）。生物柴油的酸值測定的對象是生產過程中殘余的游離脂肪酸和儲存過程中降解產生的脂肪酸。高酸值的生物柴油能加劇燃料油系統的沉積并增加腐蝕的可能性，同時還會使噴油泵柱塞副的磨損加劇，噴油器頭部和燃燒室積炭增多，從而導致噴霧惡化以及柴油機功率降低和氣缸活塞組件磨損增加。美國生物柴油標準要求酸值不大于0.80mgKOH/g，歐洲標準為不大于0.50mgKOH/g。

（13）游離甘油　高含量的游離甘油可產生噴射器沉積，也會阻塞供油系統和腐蝕發動機以及產生黑煙，同時還能導致儲存和供油系統底部游離甘油的形成。美國和歐洲生物柴油標準都要求游離甘油的含量不超過0.02％。

（14）總甘油、甘油單酯、二酯及三酯　總甘油方法用來評測油品中甘油的含量，包括游離甘油和未反應或部分反應的油脂。較低的總甘油含量能夠確保油脂轉變成脂肪酸甲酯的高轉化率。甘油單酯和二酯是甘油三酯未轉化完全的副產物，如果它們的濃度太高，可能導致噴射器發生沉積，并且影響低溫操作性能，造成過濾器阻塞。美國標準只規定了總甘油含量不超過0.240％，沒規定甘油單酯、二酯和三酯的含量；歐洲標準規定甘油單酯、二酯和三酯含量分別為不超過0.80％、0.20％和0.20％，總甘油含量不超過0.25％。

（15）磷含量　磷能夠破壞用于排放控制系統的催化轉換器，一定要保持它的低含量。在國外，隨著排放標準的日益嚴格，催化轉換器在柴油動力設備上的應用越來越普遍，因此低含磷量的重要性將逐漸升高。美國和歐洲生物柴油標準都要求磷含量不大于10mg/kg。

（16）90％回收溫度　由于生成生物柴油的動植物油脂主要由16～18碳的甘油三酯組成，因此所生成的生物柴油的餾程范圍一般為330～360℃。這一指標的作用是防止生物柴油中混入其它高沸點污染物。美國標準規定90％回收溫度不超過360℃，歐洲標準沒有規定這一項目。

（17）金屬含量　殘留的金屬可導致發動機沉積和磨損，并造成泵和注射器失效，使柴油車排煙增大，啟動困難。酯交換反應的催化劑可向生物柴油中引入Na、K、Ca、Mg等金屬，歐洲標準要求一價金屬和二價金屬的含量都不超過5mg/kg，美國標準沒做要求。

歐標與美標對生物柴油各項指標的規定匯總詳見表2-4。

注：1.通常化石柴油閃點為70℃，生物柴油閃點>110℃；
2.美標中水分數值為水分和沉渣總量；
3.運動黏度測定溫度為40℃；
4.歐標中的氧化安定性為110℃下的誘導期；
5.殘炭量指標中，美標用100％的樣品來替代10％蒸余物，并按照10％蒸余物來計算，歐標是直接測試的；
6.金屬含量指標中，歐標為一價金屬與二價金屬每項不超過的數值。

隨著生物柴油產業的迅速發展，我國亦對生物柴油的各項指標做了規范指導，出臺了GB/T 20828—2007《柴油機燃料調和用生物柴油（BD100）》。在BD100的國家標準中，我國生物柴油各項指標要求詳見表2-5。